Generalidades, estructura y propiedades de las enzimas, nomenclatura y clasificación de enzimas, cofactores enzimáticos, isoenzimas.

1. Enzimología
 ©Pedro Coila
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO
FACULTAD DE MEDICINA VETERINARIA Y ZOOTECNIA
LABORATORIO DE BIOQUIMICA
Generalidades
Estructura
Propiedades
Terminología
Nomenclatura
Clasificación
Cofactores

2.  Los seres vivos existen por que en ellas se
realizan miles de reacciones químicas (r.q.).
 Muchas de estas r.q. tienen una Ea tan alta
que, bajo condiciones compatibles con la
vida, serían prácticamente imposibles.
 Para resolver este problema, la naturaleza
diseñó los biocatalizadores haciendo que
las r.q. ocurran a gran velocidad.
 Ahora la vida depende estos poderosos
biocatalizadores denominados enzimas.
Introducción

3.  Metabolismo es la suma de las r.q. que ocurren en la célula,
el cual está organizado en rutas o vías.
 Una vía metabólica es una secuencia de r.q. implicadas en
algún propósito. P.ej. síntesis o degradación de una
molécula, síntesis de ATP, etc.
 Estas vías inician con una molécula específica y terminan
con un producto.
 Cada paso es catalizado por una enzima específica.
Metabolismo y vías metabólicas

4. Las enzimas intervienen en
todo proceso que implique
VIDA.
Panorama
general del
metabolismo
celular

5. Breve historia de la enzimología
 La elaboración del pan, cerveza, vino
y queso datan de tiempos
inmemoriales (4000 años a.c.).
 ¿Qué componentes desconocidos
transformaban los alimentos?
 Hasta antes del S XIX se atribuía
estos fenómenos a cuestiones
misteriosas y espontáneas.
 Hoy sabemos que simplemente se
tratan de transformaciones químicas
catalizadas por enzimas.

6.  2100 años a.c, en el código Hamurabi → uso de
las levaduras en la elaboración del vino.
 600 años a.c. en “La Ilíada” → uso de extractos
del árbol del higo en la elaboración del queso.
 1752, q.f. Reamur → digestión de la carne por el
jugo gástrico.
 1833, q.f. Payen y Perouz, extraen una sustancia
del germen de cebada (la diastasa) útil para la
hidrólisis del almidón.
 1834, q.a. Schwann, aisla la pepsina.

7.  1857, q.f. L. Pasteur → “la fermentación es
catalizada por una fuerza vital contenida en las
levaduras, a los que denomina fermentos; es decir,
la fermentación estaba relacionado con la vida y
no con la muerte” → ”Teoría del vitalismo”.
Azúcar
(glucosa)
Alcohol + CO2
(etanol)
Levaduras
(0rganismos vivos)
= Fermentación alcohólica

8.  1878, F. Kuhne estudia la tripsina y denomina a
estos fermentos “enzimas” para referirse a
sustancias catalíticas presente en los
organismos vivos . La palabra enzima deriva
del griego:
“en” y “zymee” = “en la levadura”
 No se sabía cuál era la naturaleza química de
estas sustancias.
 De modo que el autor de la palabra enzima es
Kuhne.

9. 1897 – Edward Buchner, en Berlín, obtiene
un extracto de levaduras y,
sorpresivamente, encontró que este
extracto inerte, conservaba la
capacidad de fermentación.
Historia
Con esto se demostró que la fermentación no era exclusiva de
los seres vivos y que las enzimas eran fermentos inertes →
Fin de la teoría del vitalismo.
En 1907, Buchner recibió el PN de Química
El siguiente paso era demostrar la naturaleza química de las
enzimas.

10. • En 1926 - James B. Summer cristaliza la
ureasa del frijol y tras 20 años de esfuerzo,
postuló que “todas las enzimas eran
proteínas”. La comunidad científica dudó de
su hallazgo.
• Entre 1930 -1936, John H. Northrop y
Wendell Stanley cristalizan enzimas
digestivas (pepsina, tripsina y
quimotripsina) confirman que las enzimas
eran proteínas.
• Estos tres científicos recibieron el Premio
Nobel de Química en 1946.
• En 1980, T. Cech, descubre un nuevo tipo de
enzimas (las ribozimas) que corresponde a RNA y
no proteínas.

11. ENZIMAS = BIOCATALIZADORES = CATALIZADORESORGANICOS
Definición
Las enzimas son proteínas
globulares sintetizadas por los
organismos vivos cuya función es
aumentar la velocidad o celeridad
de las reacciones químicas.
(La excepción lo constituyen las
ribozimas )
Las enzimas, como cualquier otra proteína, para ejercer su
función biológica, dependen de su conformación nativa
(estructura 3D).
La desnaturalización conduce a la pérdida de su actividad.

12. ¿Cómo actúan?
Como cualquier otro
catalizador, las
enzimas actúan
disminuyendo la
barrera de Energía
de Activación (Ea)
por lo que un mayor
número de moléculas
alcanzan la energía de
transición (el estado
excitado).

13. Por ejemplo, la descomposición del H2O2 a H2Oy O2
puede ocurrir:
- Espontáneamente (sin catalizador)
- Con catalizador inorgánico (platino)
- Con biocatalizador (catalasa)
Los valores de Ea son 18, 11,7 y 2 kcal/mol, lo que
significa que:
-el platino acelera la reacción 20 000 veces y
- la catalasa 270 000 veces.
Diferencia entre un catalizador
inorgánico y orgánico (enzima)

14. H2O2
Energíalibre
Reactante
Productos
Curso de la reacción→
H2O + O2
Ea =18 kcal/mol (sin catalizador)
Ea =11,7 kcal/mol (con platino)
Ea =2 kcal/mol (con catalasa)

15. Terminología enzimática
- Complejo enzima sustrato (ES).- Unión
temporal entre la E y el S, momento en el
cual el S es convertido en producto.
- Sustrato (S).- Es la molécula que se une
al sitio activo en donde va a ser
transformada en producto.
- Producto (P).- El resultado de la
reacción enzimática.
- Sitio activo.- Es el lugar de la enzima
donde ocurre la reacción química del
sustrato

16. Sustrato
Enzima
Sitio activo
Complejo ES

17. El sitio activo (=centro activo o catalítico)
- Es una cavidad (hendidura o bolsillo)
ubicado en la superficie de la enzima
en donde ocurren los fenómenos de
fijación y catálisis.
- Representa una pequeña parte del
volumen de la enzima (~ 5% de la
superficie total).
- Está formado por las cadenas
laterales de los residuos de contacto
y los residuos catalíticos.
- Es una entidad 3D única, o sea, tiene
una topografía 3D exclusiva, de
modo que solo puede unirse un S.

18. Sitio activo
Tipos de aminoácidos

19. Mecanismo básico de acción enzimática
Todas las reacciones enzimáticas
se realizan en las siguientes
etapas o fases:
1. Unión de la E con el S
(formación del complejo ES)
2. Modificación del S (conversión
en P).
3. Liberación del P .

21. Modificaciones de componentes de la reacción
enzimática

22. Fuerzas que mantienen el complejo ES
1. Interacciones no covalentes.- Son las
principales fuerzas de unión entre la E y
el S.
-Interacciones electrostáticas
-Puentes de hidrógeno
-Contactos de Van der wals
- Interacciones hidrofóbicas
2. Interacciones
covalentes temporales
.- Entre las cadenas
laterales de los AA y el
S.

23. Propiedades de las enzimas
1. Son extremadamente eficientes.
Enzima No catalizada
(s-1)
Catalizada
(s-1)
Orden de
elevación
Anhidrasa carbónica 1,3 x 10-1 1 000 000 7,7 x 106
Triosa fosfato isomerasa 4,3 x 10-6 4 300 1,0 x 109
Quimotripsina 1,0 x 10-9 190 1,7 x 1011
Adenosina deaminasa 1,8 x 10-10 370 2,1 x 1012
Nucleasa estafilocócica 1,7 x 10-13 95 5,6 x 1014
Orotidina descarboxilasa 2,8 x 10-16 39 1,4 x 1017

24. 2. Poseen alto grado de especificidad tanto por sus
sustratos como por sus productos.

25. Modelos que explican la especificidad enzimática
- Modelo de la llave y la cerradura (de Fisher).- El sitio
activo es rígido y perfectamente complementario al S =
especificidad absoluta.

26. Modelos que explican la especificidad enzimática
- Modelo de la adaptación inducida (de Koshland).- El sitio activo es
flexible y no complementario al S. La enzima es inducida a tomar la
forma complementaria a medida que el S se fija = especificidad
relativa.

27. 3. No sufren modificación en el proceso de reacción.
4. No cambian la Keq de la reacción, simplemente
aumentan la velocidad para alcanzar ese equilibrio.
5. Están sujetas a regulación o control
6. Están presentes en pequeñas cantidades (nano o
micromolares)
7. Son proteínas globulares generalmente de alto PM,
solubles
8. Actúan en condiciones moderadas de presión y
temperatura.

28. Nomenclatura
Nombre común (no sistemática, tradicional o trivial)
- Hasta antes de 1965 el nombre no guardaba ninguna
relación con la reacción que catalizaba, ni con el S.
Ejemplos: pepsina, tripsina, quimotripsina,
- Luego se nombran a las enzimas con el nombre del S
sobre el cual actuaba, con el sufijo “asa”
Ejemplos: ureasa, maltasa, amilasa, arginasa, catalasa
- En algunos casos se incluye el tipo de reacción que
catalizaba la enzima
Ejemplos: lactato deshidrogenasa, piruvato
descarboxilasa, glucosa oxidasa

29. Nomenclatura
Nombre sistemático --- 1965 UIB – a través de la
Comisión de Enzimas (EC) establece reglas para
nombrar a las enzimas:
- Toda enzima debe tener un número de
clasificación de 4 dígitos y un nombre
sistemático.
Ejemplo: 2.7.3.2. ATP: creatina kinasa,

30. Ejemplos:
N. Sistemático EC 1.1.1.1. Etanol: NAD oxidorreductasa
N. Común Alcohol deshidrogenasa
N. Sistemático EC 1.1.11.6. H2O2: oxidorreductasa
N. Común Catalasa
N. Sistemático EC 2.7.1.1. ATP: D-hexosa fostotransferasa
N. Común Hexoquinasa

31. Nombre sistemático Nombre común
EC 1.1.1.1. Etanol: NAD oxidorreductasa Alcohol deshidrogenasa
EC 1.1.11.6. H2O2: Oxidorreductasa Catalasa
EC 2.7.1.1. ATP: D-hexosa
fostotransferasa
Hexoquinasa
EC 2.6.1.2. L-alanina: 2-cetoglutarato
aminotransferasa
Alanina transaminasa
EC 3.1.3.1. Ortofosfórico monoester
fosfohidrolasa
Fosfatasa alcalina
EC 3.1.1.8. Acilcolina acilhidrolasa Colinesterasa
EC 1.9.3.1. Citocromo c: O2
oxidorreductasa
Citocromo oxidasa
EC 3.5.1.5. Urea amidohidrolasa Ureasa

32. Clasificación de enzimas
Clase Nombre Tipo de reacción catalizada
1 Oxidorreductasas Reacciones de oxidorreducción
2 Transferasas Transferencia de grupos funcionales
3 Hidrolasas Reacciones de hidrólisis
4 Liasas Remoción de grupos para formar dobles
enlaces
5 Isomerasas Isomerización
6 Ligasas Formación de enlaces entre dos
moléculas

33. Clase 1: Oxidorreductasas
Catalizan reacciones de oxidorreducción
(redox) de diversos tipos.
En las reacciones redox, siempre tienen que estar presentes el aceptor y el dador electrónico a la vez.
Ared + Box Aox + Bred
A : es el agente reductor o dador electrónico; en el
curso de la reacción se oxida (pierde electrones)
B : es el agente oxidante o aceptor electrónico; en el
curso de la reacción se reduce (gana electrones)
EC 1.1.3.4 Glucosa : O2 oxidorreductasa
Ejemplo:
Dador Aceptor
Nombre común: Glucosa oxidasa
Nomenclat. Alternat.
• Deshidrogenasas
• Oxidasas
• Peroxidasas
• Oxigenasas
• Hidroxilasas
• Reductasas

34. Clase 2: Transferasas
Catalizan reacciones de transferencia de
agrupaciones atómicas de una molécula donadora
a otra aceptora.
A : molécula dadora o donadora
B : molécula aceptora
Ejemplo:
Dador Aceptor
Nombre común: Hexokinasa
A-X + B A + B-X
X : grupo transferido
EC 2.7.1.1. ATP: D-Hexosa fosfotransferasa
Grupo transferido
Sub-clases de transferasas
2.1.-.- Grupos monocarbonados
2.2.-.- Grupos aldehido o ceto
2.3.-.- Aciltransferasas
2.4.-.- Glicosiltransferasas
2.5.-.- Alquil- o Ariltransferasas
2.6.-.- Grupos nitrogenados
2.7.-.- Grupos fosfato
2.8.-.- Grupos sulfato

35. Clase 3: Hidrolasas
Catalizan reacciones hidrolíticas (ruptura de
enlaces químicos) con participación del agua.
Ejemplo:
EC 3.4.21.4. (tripsina)
A-B + H2O A-OH + B-H
Es difícil la utilización de nombres sistemáticos en las hidrolasas. Muchas
de ellas conservan el nombre primitivo: tripsina, pepsina, papaína, etc.
Sub-clases de hidrolasas
3.1.-.- Esterasas
3.2.-.- Glucosidasas
3.3.-.- Eter hidrolasas
3.4.-.- Peptidasas
3.5.-.- Acil anhidro hidrolasas
Etc.

36. Clase 4: Liasas
Catalizan reacciones de adición o
remoción de grupos a enlaces C=C
(ruptura o formación de dobles
enlaces.
Catalizan la ruptura de enlaces por
medios distintos a la hidrólisis.
Ejemplo:
EC 4.1.1.1. Piruvato descarboxilasa
Algunas liasas
- Descarboxilasas
- Aldolasas
- Anhidrasa carbónica
- Adenilato ciclasa

37. Clase 5: Isomerasas
Catalizan reacciones que implican cualquier tipo de isomerización,
tales como, racemizaciones, epimerizaciones e isomerizaciones cis-
trans. Es decir, modificación interna de una molécula (sin agregarle ni
quitarle grupo o átomo alguno).
Ejemplo:
EC 5.3.1.1. Triosa fosfato isomerasa
Algunas isomerasas
- Epimerasas
- Racemasas
- Mutasas
- Isomerasas

38. Clase 6: Ligasas
Catalizan reacciones de unión (o condensación)
de dos moléculas (formación de enlaces) acoplado
a la hidrólisis del ATP o de otro compuesto de alta
energía.
Ejemplo:
EC 6.5.1.3. RNA ligasa
Algunas iigasas
-Sintetasas
- Carboxilasas
- Tiokinasas
A + B + ATP A-B + ADP + Pi
O bien
C + D + ATP C-D + AMP + PPi

39. Número de enzimas
El número de enzimas al 04 de febrero del 2012, según
la Base de Datos de Enzimas, son:
E.C.1.-.-.- Oxidoreductasas. [6,372]
E.C.2.-.-.- Transferasas. [12,968]
E.C.3.-.-.- Hidrolasas. [16,495]
E.C.4.-.-.- Liasas. [2,698]
E.C.5.-.-.- Isomerasas. [1,699]
E.C.6.-.-.- Ligasas. [1,182]
TOTAL 41,414
http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/enzymes

40. Cofactores enzimáticos
•Son sustancias no proteicas que
requieren muchas enzimas para que
puedan catalizar eficientemente. Su
presencia es indispensable (ingresan con
los alimentos)
•Generalmente, se sitúan en el sitio activo
de la enzima, en donde se fija de manera
específica (en forma covalente o no).

41. Terminología

42. Holoenzima
CofactorApoenzima
Tipos:
1. Inorgânicos (iones)
2. Orgánica
Tipos de cofactores
- Coenzimas
- Grupos prostéticos

43. 1. Cofactores inorganicos
Son las sustancias iónicas (cationes o aniones) de los metales.
Por esta razón son nutrientes esenciales para el organismo. Se
unen mediante enlaces de coordinación con las cadenas
laterales de ciertos AA del sitio activo.

44. 2. Cofactores orgánicos: Pueden ser
A. COENZIMAS
Se unen a la enzima en forma transitoria,
generalmente durante la catálisis.
Una misma coenzima puede actuar en
numerosas reacciones enzimáticas.
Los componentes esenciales de muchas
coenzimas son la vitaminas (la mayoría del
Complejo B)
B. GRUPOS PROSTETICOS
Están unidos permanentemente a la enzima
mediante enlaces covalentes.
A diferencia de las coenzimas, los GP son más
grandes.
Ejemplo: el grupo heme de la catalasa

45. Coenzima Fuente
vitamínica
Reacciones catalizadas
/Ejemplo de enzima
Tiamina pirofosfato (TPP) Tiamina (B1) Descarboxilación, transferencia de
grupo fosfato y aldehído. Ej.
piruvato deshidrogenasa
Flavinas: Flavín adenín
dinucleótido (FAD) y flavín
mononucleótido (FMN)
Riboflabina (B2) Redox. Ej. monoaminooxidasa
Piridoxal fosfato (PLP) Piridoxina (B6) Transferencia de grupos amino. Ej.
glucógeno fosforilasa
Nicotinamida adenina
dinuclétido (NAD y NADP)
Niacina Redox . Ej. lactato deshidrogenasa
Coenzima (CoA) Ac. Pantoténico Transferencia de grupos acilo. Ej.
acetil-CoA carboxilasa
Biocitina Biotina Carboxilación. Ej. piruvato
carboxilasa
Tetrahidrofolato (THF) Ac. fólico Transferencia de grupos de un
carbono. Ej. timidilato sintetasa
Desoxiadenosil cobalamina y
metil cobalamina
Cobalamina (B12) Isomerizaciones, alquilaciones

46. Isoenzimas o isozimas
Son familias de enzimas que catalizan la misma
reacción química pero con propiedades cinéticas
y físico-químicas diferentes.
Difieren en su estructura primaria (en algunos
AA) y, por tanto, en los valores de sus puntos
isoeléctricos (pI), por lo que su presencia de estas
formas múltiples puede detectarse y separarse
mediante electroforesis.
Pueden estar presentes en una misma especie e
incluso en una misma célula.

47. La isoenzima más conocida es la lactato deshidrogenasa
(LDH), presente en todos los tejidos.
Es un tetrámero con dos clases de subunidades (H y M)
de 35 kd cada una. Ambas subunidades difieren
significativamente en el contenido de sus AA y están
codificados por genes diferentes.
Presenta 5
isoenzimas y todas
catalizan la misma
reacción.

48. Las 5 formas isoenzimáticas
son:
La isoenzima H4 predomina en el
corazón (heart) y la M4 en el
músculo esquelético (muscle). Las
otras 3 isozimas se encuentran
presentes en los distintos tejidos.
Si bien todos catalizan la misma
reacción, difieren
significativamente en sus valores
Km respecto a sus sustratos, así
como en sus valores deVmáx.
El siguiente esquema muestra el
contenido relativo de la LDH en los
tejidos humanos.

49. Zimógenos o proenzimas
 Son precursores inactivos de
ciertas enzimas, las que más tarde
en respuesta a una señal
bioquímica, se convierten en
activas por hidrólisis de enlaces
peptídicos.
 La mayoría de enzimas digestivas pertenecen a este
grupo. P. ej. pepsina, tripsina y quimotripsina, que se
sintetizan como pepsinógeno, tripsinógeno y
quimotripsinógeno, respectivamente. Cuando son
vertidas al TGI se convierten en sus formas activas
mediante escisión hidrolítica de uno o más enlaces del

50.  Son inactivos porque el sitio activo no está disponible
para el sustrato ya sea por que se encuentra “sellado”
por un segmento peptídico o porque los residuos de
fijación y catálisis no tienen la alineación apropiada.
 El rompimiento de uno o más enlaces produce nuevas
interacciones de los grupos R lo que produce una nueva
conformación de la proteína.
 Se sintetizan en forma inactiva con la finalidad de
proteger a la célula (u órgano) que lo produce. Si se
sintetizaría en su forma activa sería autodestructivo ya
que hidrolizaría a cualquier proteína celular.
 De hecho, una de las causas de pancreatitis (a veces
mortal) es la liberación prematura de enzimas activas.

51. Activación de zimógenos (cascada de reacciones)

52. Localización de las enzimas
1. En el interior de las
células (enzimas
intracelulares).- Son la
mayoría. Llevan a cabo el
metabolismo celular. Se
distribuyen en los
diferentes organelos.
Succinato
deshidro-
genasa.Citocr
omo oxidasa
Mitocondria
Catalasa
Peroxisom
a
Alfa
manosidasa
Complejo
Golgi
Retículo
endoplasma
Glucosa 6
fosfatasa
Na/K
ATPasa
membrana
Las enzimas en el organismo animal pueden
localizarse:

53. 2. En el exterior de las células (enzimas
extracelulares).-Actúan fuera de la célula pero son
sintetizados por las células. P. ej. Las enzimas
digestiivas.
2. En determinados órganos (enzimas órgano
específicas).- Muchas enzimas actúan en
determinados órganos. Ej. AST en músculo
esquelético y cardíaco, la ALT en hígado, la fosfatasa
ácida en próstata, la fosfatasa alcalina en hueso e
hígado, etc.
Estas sirven como marcadores enzimáticos en el
diagnóstico de enfermedades.

54. Organización de las enzimas
1. Enzimas
libres o
solubles.- Son
las que
catalizan solo
una reacción.
Las enzimas que participan en una vía metabólica se
encuentran organizadas para hacer más eficiente la vía.
En la célula existen 3 formas de enzimas.

55. 2. Complejos enzimáticos.- Son grupos físicamente
unidas unas con otras por interacciones no
covalentes , pudiendo disociarse. Los intermediarios
(sustratos) pasan de un sitio activo a otro sin
abandonar el sistema.

56. COMPLEJO DE LA PDHasa

57. 3. Enzimas multifuncionales (o multienzimas).- Es
una gran proteína con distintos sitios activos.
A diferencia de los complejos, éstos no pueden disociarse ya
que todo el sistema está unido covalentemente.

58. USOS DE LAS ENZIMAS (APLICACIONES):
-Biotecnología
-Medicina
-Industria químico farmacéutica
-Agricultura
-Metalurgia
-Industria alimentaria
- Guerras químicas
-Ingenierías
- etc.